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　　《输电系统概率规划》理论分析透彻，所举实例均来自工程实际项目，可供电力工程技术人员、管理干部和科研工作者参考，也可作为高等院校教师、研究生、高年级学生以及有关各类研讨班的参考教材。

内容简介

　　《输电系统概率规划》译自 IEEE Fellow、加拿大工程院院士(CAE Fellow)和加拿大工程研究院院士(EIC Fellow)李文沅教授的专著 Probabilistic Transmission System Planning。基于深厚专业知识和长期工程实践，面对电力系统中输电系统概率规划的诸多方面，作者在《输电系统概率规划》提出了若干新的模型和概念，尤其是大量工程应用，为读者展示了别开生面的思路和解决方法。《输电系统概率规划》分为 12 章和 3 个附录。除第 1 章外，内容可分为如下四个部分：第 2～7 章全面系统地介绍输电系统概率规划中所涉及的主要概念、模型、方法和数据；第 8 章主要介绍在输电系统概率规划中使用模糊技术来处理数据的不确定性；第 9～12 章介绍输电系统概率规划中四个重要内容的具体方法及其实际应用(网架加强概率规划、网络元件退役概率规划、变电站概率规划和单回路送电系统概率规划)；附录介绍概率、统计、模糊数学和可靠性评估的相关数学基础知识。

目　　录

中文版序
中文版前言
英文版前言
第1章绪论
1.1 输电系统规划概述
1.1.1 输电规划的基本任务
1.1.2 传统规划准则
1.2 输电系统概率规划的必要性
1.3 本书架构
第2章概率规划的基本概念
2.1 引言
2.2 概率规划准则
2.2.1 概率费用准则
2.2.2 指定的可靠性指标判据

中文版序 
中文版前言 
英文版前言 
第1章  绪论 
  1.1  输电系统规划概述 
    1.1.1  输电规划的基本任务 
    1.1.2  传统规划准则 
  1.2  输电系统概率规划的必要性 
  1.3  本书架构 
第2章  概率规划的基本概念 
  2.1  引言 
  2.2  概率规划准则 
    2.2.1  概率费用准则 
    2.2.2  指定的可靠性指标判据 
    2.2.3  相对比较 
    2.2.4  可靠性增量指标 
  2.3  概率规划步骤 
    2.3.1  概率可靠性评估 
    2.3.2  概率经济性分析 
  2.4  概率规划的其他方面 
  2.5  结论 
第3章  负荷建模 
  3.1  引言 
  3，2负荷预测 
    3.2.1  多元线性回归 
    3.2.2  非线性回归 
    3.2.3  概率时间序列 
    3.2.4  神经网络预测 
  3.3  负荷聚类 
    3.3.1  多级负荷模型 
    3.3.2  负荷曲线聚类 
  3.4  节点负荷的不确定性和相关性 
  3.5  节点负荷的电压特性和频率特性 
    3.5.1  稳态分析的节点负荷模型 
    3.5.2  动态分析的节点负荷模型 
  3.6  结论 
第4章  系统分析方法 
  4.1  引言 
  4.2  潮流 
    4.2.1  牛顿—拉夫逊法 
    4.2.2  快速解耦法 
    4.2.3  直流潮流法 
  4.3  概率潮流 
    4.3.1  点估计法 
    4.3.2  蒙特卡罗法 
  4.4  最优潮流 
    4.4.1  最优潮流模型 
    4.4.2  内点法 
  4.5  概率搜索优化算法 
    4.5.1  遗传算法 
    4.5.2  粒子群优化算法 
  4.6  预想故障分析与排序 
    4.6.1  预想故障分析方法 
    4.6.2  预想故障排序方法 
  4.7  电压稳定性评估 
    4.7.1  连续潮流方法 
    4.7.2  降阶雅可比矩阵分析 
  4.8  暂态稳定性分析 
    4.8.1  暂态稳定方程 
    4.8.2  联立求解方法 
    4.8.3  交替求解方法 
  4.9  结论 
第5章  概率可靠性评估 
  5.1  引言 
  5.2  可靠性指标 
    5.2.1  充裕性指标 
    5.2.2  可靠性价值指标 
    5.2.3  安全性指标 
  5.3  可靠性价值评估 
    5.3.1  单位停电损失费用估计方法 
    5.3.2  用户损失函数 
    5.3.3  可靠性价值评估的应用 
  5.4  变电站充裕性评估 
    5.4.1  元件停运模式 
    5.4.2  状态枚举法 
    5.4.3  标记母线集合法 
    5.4.4  变电站充裕性评估步骤 
  5.5  组合系统充裕性评估 
    5.5.1  概率负荷模型 
    5.5.2  元件停运模型 
    5.5.3  系统停运状态选择 
    5.5.4  系统分析 
    5.5.5  最小切负荷模型 
    5.5.6  组合系统充裕性评估步骤 
  5.6  电压稳定概率评估 
    5.6.1  潮流无解的优化辨识模型 
    5.6.2  电压失稳辨识方法 
    5.6.3  系统预想故障状态确定 
    5.6.4  平均电压失稳风险评估 
  5.7  暂态稳定概率评估 
    5.7.1  故障前系统状态选择 
    5.7.2  故障概率模型 
    5.7.3  故障事件选择 
    5.7.4  暂态稳定仿真 
    5.7.5  平均暂态失稳风险评估 
  5.8  结论 
第6章  经济分析方法 
  6.1  引言 
  6.2  项目费用构成 
    6.2.1  投资费用 
    6.2.2  运行费用 
    6.2.3  不可靠性费用 
  6.3  资金的时间价值和现值法 
    6.3.1  折现率 
    6.3.2  现值与将来值之间的转换 
    6.3.3  资金流及其现值 
    6.3.4  等年值资金流计算公式 
  6.4  折旧 
    6.4.1  折旧概念 
    6.4.2  直线法 
    6.4.3  加速法 
    6.4.4  年金法 
    6.4.5  折旧算例 
  6.5  投资项目的经济评估 
    6.5.1  总成本法 
    6.5.2  效益／成本分析 
    6.5.3  内部收益率法 
    6.5.4  资金流年限数 
  6.6  设备更新的经济评估 
    6.6.1  设备更新延迟分析 
    6.6.2  经济寿命估计 
  6.7  经济评估中的不确定性分析 
    6.7.1  灵敏度分析 
    6.7.2  概率分析 
  6.8  结论 
第7章  输电系统概率规划数据 
  7.1  引言 
  7.2  电力系统分析数据 
    7.2.1  设备参数 
    7.2.2  设备额定值 
    7.2.3  系统运行限制 
    7.2.4  节点负荷同时系数 
  7.3  概率规划的可靠性数据 
    7.3.1  可靠性数据的基本概念 
    7.3.2  设备停运指标 
    7.3.3  输电系统供电点指标 
  7.4  其他数据 
    7.4.1  电源数据 
    7.4.2  联网数据 
    7.4.3  经济分析数据 
  7.5  结论 
  …… 
第8章  处理数据不确定性的模糊方法 
第9章  网架加强规划 
第10章  网络元件的退役规划 
第11章  变电站规划 
第12章  单回路送电系统规划 
附录A  概率论与数理统计基础 
附录B  模糊数学基础 
附录C  可靠性评估基础 
参考文献 
索引

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在线试读部分章节

　　第1章绪论
　　1.1输电系统规划概述
　　1.1.1输电规划的基本任务
　　输电规划的*根本目的是尽可能经济地发展电网并保证电网的可靠性水平。电网的发展主要涉及选择加强方案及其实施时间。制定老化设备退役和更换的决策也是输电规划的一个重要任务。
　　促使输电系统发展的主要因素如下：
　　（1）负荷增长；
　　（2）新电源；
　　（3）设备老化；
　　（4）商业机会；
　　（5）与邻近电网间的电力输出和输入的变化；
　　（6）用户供电可靠性需求的变化；
　　（7）新负荷和独立发电商（independent power producer，IPP）的接入；
　　（8）新的过网服务要求。
　　大多数输电发展项目的动因是前三个因素，即负荷增长、新电源和设备老化。传统电力公司是垂直结构的，发电、输电和配电由同一公司所有，因此也由单一的公司进行规划。自20世纪90年代解除对电力行业的管制以来，大多数国家将发电与输电分开，发电与输电资产也分属不同的公司，它们的运营、规划和管理也由这些公司分别负责。本书着重于输电系统的概率规划，假定关于电源的信息是已知的。
　　据规划时段不同，输电规划可以分为以下三个阶段：
　　（1）长期规划；

第1章绪论 
　　1.1输电系统规划概述 
　　1.1.1输电规划的基本任务 
　　输电规划的*根本目的是尽可能经济地发展电网并保证电网的可靠性水平。电网的发展主要涉及选择加强方案及其实施时间。制定老化设备退役和更换的决策也是输电规划的一个重要任务。 
　　促使输电系统发展的主要因素如下： 
　　（1）负荷增长； 
　　（2）新电源； 
　　（3）设备老化； 
　　（4）商业机会； 
　　（5）与邻近电网间的电力输出和输入的变化； 
　　（6）用户供电可靠性需求的变化； 
　　（7）新负荷和独立发电商（independent power producer，IPP）的接入； 
　　（8）新的过网服务要求。 
　　大多数输电发展项目的动因是前三个因素，即负荷增长、新电源和设备老化。传统电力公司是垂直结构的，发电、输电和配电由同一公司所有，因此也由单一的公司进行规划。自20世纪90年代解除对电力行业的管制以来，大多数国家将发电与输电分开，发电与输电资产也分属不同的公司，它们的运营、规划和管理也由这些公司分别负责。本书着重于输电系统的概率规划，假定关于电源的信息是已知的。 
　　据规划时段不同，输电规划可以分为以下三个阶段： 
　　（1）长期规划； 
　　（2）中期规划； 
　　（3）短期规划。 
　　长期规划的规划期为20～30年，主耍从系统发展的高层面角度考虑问题。长期规划所讨论的问题是初步的，在随后的规划阶段中可能被大幅度修改甚至重新定义，因为在这一阶段数据和信息非常不确定。中期规划的规划期为10～20年，在这一阶段将根据过去数年的实际信息对长期规划中提出的初步考虑进行修正，并将研究结果用于指导短期规划项目。短期规划处理的是必须在10年内要解决的问题，需要对具体规划方案进行深入研究和比较，这一阶段的规划研究应该为规划项目提供资金预算计划。 
　　输电规划包括如下任务： 
　　（1）确定电压等级； 
　　（2）网络加强； 
　　（3）变电站主接线结构； 
　　（4）无功源规划； 
　　（5）负荷或独立发电商接入规划； 
　　（6）设备规划（备用、退役、更换）； 
　　（7）新技术选择（轻型高压直流（high-voltage direct current，HVDC）技术、柔性 
　　交流输电（flexible AC transmission system，FACTS）技术、超导技术、基于广域测量 
　　系统（wide-area measurement system，WAMS）的技术； 
　　（8）网络加强方案和特殊保护系统的比较。 
　　一个输电规划项目可能涉及上述一个或多个任务，每个任务都需要进行技术、经济、环境、社会和政策上的评估。仅技术评估就包括空间和时间多方面的考量，需要进行大量的研究，研究范围涵盖负荷预测、潮流计算、预想故障分析、**潮流计算、电压和暂态稳定分析、短路分析、可靠性评估。从本质上说，这些研究是对多年后的情况进行仿真模拟，其目的是对各规划方案进行比较并做出选择，因此需要确定将来哪些情况可能出现，以及在各种情况下输电系统将以何种万式运行。各系统状态和运行方式的组合量几乎是庞大无限的，因此无法对全部情况进行仿真模拟，这显然需要简化系统建模并对系统状态进行筛选。 
　　输电规划是极其复杂的问题，在系统建模时通常分为几个子问题考虑，因此需要在子问题间进行协调。在此过程中，系统规划工程师的判断和预选的可行方案在协调中起到非常重要的作用。人们提出了很多输电规划**化模型的方法，其实这些方法只是解决一个或多个特定子问题的技术。我们必须认识到：仅基于一个**化模型来做系统加强方案是不现实的，事实上许多环境、社会、政策上的约束和考虑因素都不可能被定量地建模。 
　　在对系统状态进行筛选时，必须考虑负荷水平、电网拓扑结构、发电模式、系统元件的可用度、设备在不同季节下的额定参数、可能的开关切换、保护与控制措施等因素。通常用两种方法进行筛选：确定法和概率法。传统的确定法已沿用了很多年，该方法对系统状态的筛选依赖于规划工程师的判断，而规划决策仅取决于选择系统状态所导致的后果。概率法相对较新，虽然已有将概率法应用于输电规划的研究和工作，但目前尚未在实践中得到广泛应用。概率法的基本思想是根据各系统状态的出现概率对其进行随机选择，把所模拟系统状态的概率和备状态下的后果相结合做出规划决策。 
　　1.1.2传统规划准则 
　　为确保系统发展的可靠性和经济性，传统的输电规划准则分为***、区域级和公司级。著名的北美电力可靠性管理机构（North American Electric ReliabilityCorporation，NERC）可靠性准则就是一个很好的例子，其包括以下部分： 
　　（1）电源与负荷需求平衡； 
　　（2）关键基础设施保护； 
　　（3）通信； 
　　（4）应急准备和运行； 
　　（5）装置设计、连接和维护； 
　　（6）互联调度和协调； 
　　（7）联网可靠性运行和协调； 
　　（8）建模、数据和分析； 
　　（9）核能； 
　　（10）员工绩效、培训和资格； 
　　（11）保护与控制； 
　　（12）输电运行； 
　　（13）输电规划； 
　　（14）电压与无功。 
　　可以看出，这一准则涵盖了广泛的领域，远超出输电规划的范畴。应该认识到：输电规划的准则并不局限于输电规划本身，而应与上述各方面准则联系起来，这一原则非常重要。 
　　传统输电规划准则至少包括但不局限于如下几方面[1-3]： 
　　1）确定的安全原则 
　　这一原则基本上归诸于N-l原则。N-l原则是指输电系统必须含有足够多的元件，以保证在任何系统条件下，当某一元件发生故障或停运后，不会对系统造成任何系统问题，包括过载、低电压或过电压、其位元件失效、非计划的负荷削减、暂态不稳定和电压不稳定。NERC准则还包括在规划中对两个或两个以上元件停运的情况下的系统运行要求。然而，由于多元件停运的组合数目太大，实际中仅能对少数重要的多元件停运状态进行评估。 
　　2）电压等级 
　　电压等级通常选为现有系统中已有的一个等级来提供所需的电力传输容量，同时又不会引起不合理的经济损失。当现有电压等级无法以合理的成本为系统提供所需容量时，就需要通过技术和经济上的分析建立新的电压等级。 
　　3）设备的额定值 
　　设备的额定值（包括正常和紧急情况下的额定值）是输电规划的重要输入参数，通常由设备制造商或按行业标准决定。输电设备包括传输线、地下或海底电缆、电力变压器、测量变压器、并联和串联电容器、并联和串联电抗器、断路器、开关、静态无功补偿装置（static VAR compensator，SVC）、静态同步补偿器（static synchronouscompensator，STATCOM）、高压直流输电设备、母线和继电保护装置。 
　　4）系统运行限值 
　　除了设备额定值，系统运行限值也是输电系统的重要输入参数，主要包括电压、频率、热容量、暂态稳定性、电压稳定性和小信号稳定性的限值。这些限值分为事故前与事故后两类，其度量单位多种多样，如兆瓦（megawatt，MW）、兆乏（megavolt-amperes reactive，Mvar）、安培、赫兹、伏特、百分比等。若系统超限运行，则可能会引起不稳定、系统解列、连锁断电等后果。 
　　5）传输能力 
　　传输能力是指在一定系统条件下，两个区域间能够通过区域界面传输的电力容量。区域界面通常包括一组传输线。传输能力涉及两个术语：总传输能力（totaltransfer capability，TTC）和可用传输能力（available transfer capability．ATC）[4]。可用传输能力可由下式得到，即ATC=TTC - TRM - CBM - ETC式中，输电可靠性裕度（transmission reliability margin，TRM）是在各系统条件下、在不确定因素的合理范围内，确保系统安全所需的电力传输裕度；容量效益裕度（capacity benefit margin，CBM）是为了能够从其他互联系统中获得电力来满足发电可靠性要求而预留的传输容量裕度；己占用的输电能力（existing transmissioncommitment，ETC）指输电服务中已经安排的传输容量。显然，总传输能力和可用传输能力的确定不仅与热限值有关，还与稳定性限值有关。 
　　6）联网要求 
　　随着对电力行业管制的解除，输电系统的开放方式接入成为现实，接入输电系统的各类互联设备大量增加，包括发电设备、传输设备和终端用户设备。发电设备不仅包括发电机，还包括独立发电商和可再生能源。互联项目需要进行大量的可行性、系统影响和设备研究，这自然也成为输电规划的一部分。互联需求不仅与技术问题相关，还与监管政策和商业模式密切相关。 
　　7）保护和控制 
　　某些输电规划项目中，合理的保护与控制方案能够保证系统安全．同时避免增加一次设备，大大减少了资本投入。除了传统的保护与控制方案，特殊保护系统（special protection system，SPS）和广域测量系统在系统安全中扮演重要角色。特殊保护系统有时也称为校正控制方案（remedial action scheme，RAS），包括低压减载、低频减载、自动无功控制、切除发电、线路跳闸、暂态过电压控制等不同的方案‘5]。所有特殊保护系统都必须符合可靠性标准和设计原则。广域测量系统也可称为广域控制系统，其功能己不仅局限于测量，近年来得到了快速的发展和应用。然而，目前广域测量系统的可靠性标准尚未建立。 
　　8）数据和模型 
　　所有关于规划的研究都需要用充分而准确的数据和模型，包括用于静态和动态仿真的内部与外部模型。获得负荷、电源、用户联网的数据和模型需要输电公司与用户之间的协调。这些数据的有效管理包括数据有效性、数据库和历史数据分析，对输电规划十分重要。 
　　9）经济分析准则 
　　一般而言，有不止一个规划方案能够满足输电规划的技术要求，因此需要进行经济分析以确定哪个方案总成本**。总成本包括资本投入和运行成本。在传统的输电规划中，经济分析不考虑不可靠性成本。成本分析需要在长达多年的规划期内进行。由于无法准确预测未来的经济参数，通常需要进行敏感度研究以考察这些参数变化带来的影响。 
　　1.2输电系统概率规划的必要性 
　　概率规划的目的是在现有输电规划过程中增加概率方面的考虑，而非取代在1.1.2节中列出的那些传统的规划准则。大多数传统规划准则在概率规划中仍然适用，不同的是概率规划要涉及如下方面： 
　　（1） N-l原则不再是**的安全准则，除了单一无件故障，还需考虑多元件同时断电的情况。 
　　（2）不仅要仿真断电事故的后果，还要模拟断电事故发生的概率。 
　　（3）需要用概率模型或模糊模型为电网结构、负荷预测、发电模式和其他参数的不确定性建模。 
　　（4）除了传统研究（潮流、**潮流、预想故障分析、稳定性评估），还需进行概率方法的研究（概率潮流、概率的预想故障分析、概率的稳定性评估），特别是概率的系统可靠性评估，其己成为输电概率规划的关键步骤。 
　　（5）不可靠性成本评估是全局经济分析的关键，在规划决策中起到重要作用。不可靠性成本取决于多种概率因素，它的引入使得经济分析具有概率特征，还可以考虑经济参数中的不确定因素。 
　　需要实施输电系统概率规划的原因如下[6-8]： 
　　（1）确定性准则的主要缺陷在于它无法考虑断电数据和系统参数的随机特征。例如，如果一宗断电事故发生的概率小到可以忽略不计，那么即使这是一宗恶性事故，其后果也可忽略不计。如果规划方案基于这种事故，则会引入过度投资。相反，如果一宗断电事故虽然不严重，但却时常发生，那么不考虑这类事故的影响的规划方案仍然会引起高风险的后果。概率规划不仅能够识别事故的严重程度，还能识别其发生的可能性。 
　　（2）确定性准则基于“*坏的情况”，而*坏的情况可能被遗漏。例如，处于系统峰值负荷的状态通常被认为是一种*坏的情况

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